CN108004487A - 一种高氮无磁奥氏体不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高氮无磁奥氏体不锈钢，其化学成分重量百分比如下：C：0.01～0.10，Si：≤1.0，Mn：17.0～24.0，P：≤0.035，S：≤0.015，Ni：1.0～4.0，Cr：17.0～24.0，Mo：≤1.0，N：0.50～0.80，其余为Fe和不可避免的杂质组成。本发明的制造方法包括：电炉+AOD+LF方式冶炼，连铸或者模铸扁锭，连铸控制过热度小于50℃；将连铸坯或模铸扁锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度在800～950℃，热轧板材进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品，该产品具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，应用领域广泛。

Description

一种高氮无磁奥氏体不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及不锈钢材料领域，涉及一种高氮无磁奥氏体不锈钢，特别涉及一种具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能的高氮无磁奥氏体不锈钢热轧板及其制造方法。

背景技术

目前国内外广泛使用的奥氏体不锈钢，以300系列为主，这些钢种具有良好的塑性和耐蚀性，但却存在强度偏低的问题，也限制了这些钢的应用范围。为了提高奥氏体不锈钢的强度，研制高氮奥氏体不锈钢是一种可行的途径，与传统的含氮或无氮奥氏体不锈钢相比，高氮奥氏体不锈钢具有十分优异的性能特点，其原因在于氮是廉价且环境友好的合金元素，不但可以作为奥氏体组织稳定元素，而且也是很好的固溶强化元素，能提高加工硬化系数，而且还能够提高钢的抗局部腐蚀性能和提高抗应力腐蚀开裂性能，并且氮在提高奥氏体不锈钢强度的前提下，并不明显降低材料的塑性。因此，高氮奥氏体不锈钢自问世以来即受到世界各国的广泛关注。

中国专利申请CN200810236181.2公开了一种耐磨耐蚀高氮高锰奥氏体不锈钢，其特征在于(质量分数)：0.40～0.65％N、≤0.05％C、18.00～25.00％Mn、18.00～20.00％Cr、0～3.50％Ni、≤0.05％S、≤0.05％P、≤1.00％Si、余Fe。该种奥氏体不锈钢以提高氮含量、锰含量来节约镍，从而降低了生产成本；而且材料中的锰和氮的作用，可以提高材料的耐磨和耐腐蚀能力，可以应用于对强度和耐磨性能有较高要求的领域。

专利申请CN201110129238.0涉及一种医用无镍型高氮奥氏体抗菌不锈钢及其制备和应用。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C：≤0.03；Cr：12-19；Mn：12-18；Ni：≤0.1；Mo：2.0-4.0；N：0.45-0.8；Cu：3.5-5.5；Si：≤0.5；硫S：≤0.01；P：≤0.02；余量为Fe。本发明通过在医用无镍型高氮奥氏体不锈钢中添加适量的铜元素，并经过特殊热处理后，在不锈钢基体中弥散析出有富铜相，从而赋予该不锈钢强烈的广谱抗菌功能，另外不含对人体有毒性作用的镍元素，可广泛应用于医学临床领域中使用的各类不锈钢植入器械以及各类不锈钢外科手术工具。

日本专利文献JP2008174789设计是一种高强高耐蚀性的高氮奥氏体不锈钢，其化学成分如下(重量％)：0.01-0.1％C,0.1-1.0％Si,0.1-3.0％Mn,4.0-7.0％Ni,15.0-20.0％Cr,0.5-4.0％Mo，0.4-1.0％N,P≤0.03％,S≤0.01％,Al≤0.01％,O≤0.02％,余量为Fe和不可避免的杂质，另外还可添加一种或数种以下成分0.05-0.5％Ti,0.05-0.5％V,0.05-0.5％Nb,0.05-0.5％W,0.5-3.0％Co和0.5-3.0％Cu。

以上检索到的高氮奥氏体不锈钢相关专利涉及了高强、高耐蚀等应用领域，但其强度仍然偏低，难以达到高屈服强度和韧性、无磁性、耐蚀性良好匹配。本发明与其他相关专利的成分对比如表1所示。

表1相关专利成分对比(wt.％)

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种同时具有高屈服强度、良好的塑韧性和耐腐蚀性能的高氮无磁奥氏体不锈钢，可应用于加工制造需要高屈服强度和韧性、无磁性、耐蚀性良好匹配的领域。

本发明的技术方案是，一种高氮无磁奥氏体不锈钢，其化学成分的重量百分比为：

余量为铁和通常炼钢存在的杂质。

确定本发明技术方案中上述化学成分的理由如下：

碳：是强奥氏体形成元素，能提高钢的强度。当碳含量过高时，会导致腐蚀性能显著下降，以及强度太高造成冷加工困难，而过低的碳含量将增加制备过程中的难度和成本，因此碳含量优先在0.01～0.10％。

硅：是作为脱氧剂加入的，当含量较低时，对钢的机械性能没有大的影响，但加入过多，硅会加速金属间相的析出，则会使加工和韧性劣化，因此硅的加入控制在≤1.0％为好。

锰：是弱奥氏体元素，起到稳定奥氏体的作用，有利于保证无磁性，此外锰的添加可以显著提高氮的溶解度，并且有利于提高材料的加工硬化能力。锰对不锈钢的耐腐蚀性的影响基本上都是负面的，因此锰含量应控制在17.0～24.0％之间。

磷：是钢中的杂质元素，出于热塑性和耐蚀性的考虑，这个元素含量越少越好，但控制过低会导致成本较高，因此磷应控制在≤0.035％。

硫：是钢中的杂质元素，出于热塑性和耐蚀性的考虑，这个元素含量越少越好，因此硫含量控制在≤0.015％。

铬：改善耐蚀性的重要元素，能提高不锈钢在氧化性酸中耐蚀性，提高其在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力。过低时耐蚀性较差，并且不利于氮的溶解度，但铬含量过高，会增大铁素体及金属间化合物析出倾向，因此优选为17.0～24.0％。

镍：作为强烈的形成和扩大奥氏体区的元素，可以提高奥氏体组织的稳定性，有利于保证无磁性，提高热加工性能，能够提高钢的冲击韧性，降低钢的韧-脆转变温度，但镍的价格较高，因此优选镍含量应控制在1.0～4.0％之间。

钼：为铁素体形成元素，可改善合金耐蚀性，尤其是在与铬复合作用的情况下，其耐点蚀当量是铬的3.3倍，但影响钢的无磁性，且考虑价格因素不宜多加，因此优选控制在≤1.0％。

氮：是强奥氏体形成元素，氮的奥氏体形成能力远高于镍，有利于保证无磁性，其取代Ni可显著降低成本，是高氮奥氏体不锈钢中不可或缺的合金元素，氮对奥氏体钢的形变硬化作用是非常显著的，其次，氮可以提高奥氏体相的耐腐蚀性能，尤其是耐点腐蚀性能和耐缝隙腐蚀性能，但是过高的氮会造成冶炼困难，会增大氮化物形成的风险，降低材料的韧性和耐蚀性，因此优选控制在0.5～0.8％之间。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下特点和积极效果：

奥氏体不锈钢热轧板要获得高屈服强度，一种方法是通过成分控制和轧制控制，使钢在热加工和冷却过程中发生少量马氏体相变，但这种方法会导致塑性和耐蚀性很差，且不能保持无磁性；一种方法是热加工和冷却或者热处理过程中析出大量析出相，但该方法也会造成塑性极差，以及机加工和焊接困难；因此比较理想的方法是提高材料的加工硬化能力，而锰和氮是提高加工硬化的重要元素。本发明控制较高的锰含量和铬含量，均为17.0～24.0％，这能使得钢中溶氮能力大幅提高，控制氮含量高达0.50～0.80％，这为热加工获得高强度奠定了基础。为了在高强度的同时保持较高的塑性，本发明控制碳含量控制在0.01～0.10％，减少碳化物的析出，并且添加适当的镍含量为1.0～4.0％，同时一定范围内氮在提高奥氏体不锈钢强度的前提下并不明显降低材料的塑性，使得本发明钢种仍保持较高的塑韧性；另外由于高锰含量、高氮含量和适量镍的原因，使得本发明钢种在热加工后仍保持奥氏体稳定性不发生马氏体相变，因此仍然保证无磁性。

另外本发明高氮无磁奥氏体不锈钢由于含有较高的铬17.0～24.0％，含较高的氮0.50～0.80％，可添加钼小于1.0％，具有较高的PREN值(PREN＝Cr％+3.3*Mo％+16*N％)，因此本发明高氮奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能。

根据本发明的一种高氮无磁奥氏体不锈钢，优选的是，所述不锈钢耐点蚀当量PREN值为25～40。

计算不同钢种的PREN值进行比较，是一种比较不同不锈钢之间耐局部腐蚀能力的常用经验方法。

本发明还提供了上述高氮无磁奥氏体不锈钢的制备方法，包括：

a.采用EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，连铸或者模铸扁锭，连铸控制过热度小于50℃；

b.将连铸坯或模铸扁锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度控制在800～950℃，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品。

根据本发明的高氮无磁奥氏体不锈钢的制备方法，优选的是，步骤a所述模铸扁锭可进行电渣处理获得电渣扁锭，然后将电渣扁锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度控制在800～950℃，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品。

根据本发明的高氮无磁奥氏体不锈钢的制备方法，优选的是，所述终轧温度控制在820～940℃。

本发明高氮无磁奥氏体不锈钢可利用合金板带产线批量生产，具体制备方法为经EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，连铸或者模铸扁锭，连铸控制过热度小于50℃，根据需要模铸扁锭可进行电渣获得电渣扁锭；将连铸坯或模铸扁锭或电渣扁锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度控制在800～950℃，根据不同的板厚控制不同的控轧工艺，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮无磁奥氏体不锈钢热轧板成品。由于合理的化学成分设计、控制合适的控轧工艺，使得生产的高氮无磁奥氏体不锈钢板材产品同时具有高屈服强度、良好的塑韧性和耐腐蚀性能，从而可应用于加工制造需要高屈服强度和韧性、耐蚀性良好匹配的领域。

本发明的有益效果是：

根据上述理由提出了本发明的一种高氮无磁奥氏体不锈钢，本发明通过化学成分设计和制造过程控制，获得同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能的热轧板，可应用于加工制造需要高屈服强度和韧性、无磁性、耐蚀性良好匹配的领域。

本发明所描述的是一种同时具有高屈服强度、良好的塑韧性和耐腐蚀性能的高氮无磁奥氏体不锈钢，可应用于加工制造需要高屈服强度和韧性、无磁性、耐蚀性良好匹配的领域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述，应当明确，这些实施例仅用于对本发明具体实施方式的描述，并不用于对本发明的保护范围构成任何限制。

表1所示为本发明实施例钢和对比例钢的成分，成分其余为铁。表2所示为本发明实施例钢和对比例钢的性能。

实施例1

采用EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，浇注200mm连铸坯，连铸控制过热度小于50℃，化学成分见表2所示，将连铸坯放入步进式加热炉中加热，在轧机上控轧轧制成厚度为20mm热轧板，终轧温度控制在870℃，空冷至室温，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品，该产品同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，所有性能列于表3。

实施例2

采用EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，浇注150mm连铸坯，连铸控制过热度小于50℃，化学成分见表2所示，将连铸坯放入步进式加热炉中加热，在轧机上控轧轧制成厚度为10mm热轧板，终轧温度控制在820℃，空冷至室温，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品，该产品同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，所有性能列于表3。

实施例3

采用EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，浇注350mm模铸锭，化学成分见表2所示，将模铸锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上控轧轧制成厚度为40mm热轧板，终轧温度控制在940℃，空冷至室温，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品，该产品同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，所有性能列于表3。

实施例4

采用EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，浇注350mm模铸锭，化学成分见表2所示，模铸锭经电渣重熔成290mm电渣锭，将电渣锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上控轧轧制成厚度为30mm热轧板，终轧温度控制在910℃，空冷至室温，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品，该产品同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，所有性能列于表3。

对比例

对比例1为常规304奥氏体不锈钢，生产工艺与实施例1相同，其化成成分和各项性能见表2和表3。从性能列表中可以看出，对比例1由于氮、锰含量低和镍含量高，使得热轧过程中难以获得足够的加工硬化，造成其强度较低和有弱磁性，难以同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能。

表2实施例和对比例成分，余量为铁(wt.％)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	N	Mo
										实施例1	0.07	0.3	17.5	0.020	0.003	23.9	3.7	0.80	0.1
实施例2	0.02	0.2	23.7	0.025	0.002	20.2	2.8	0.72	0.3
										实施例3	0.04	0.4	18.7	0.018	0.004	19.6	2.0	0.65	0.5
实施例4	0.09	0.5	19.5	0.021	0.005	17.1	1.2	0.51	0.8
										对比例1	0.05	0.4	1.2	0.030	0.003	18.1	8.1	0.04	-

从上述表3性能对比可以发现，本发明的高氮无磁奥氏体不锈钢，同时具有高屈服强度、良好的塑韧性、无磁性和耐腐蚀性能，可应用于加工制造需要高屈服强度和韧性、无磁性和耐蚀性良好匹配的领域。

表3实施例与对比例性能对比

要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种高氮无磁奥氏体不锈钢，其特征在于：其化学成分的重量百分比为：

余量为铁和通常炼钢存在的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高氮无磁奥氏体不锈钢，其特征在于：所述不锈钢耐点蚀当量PREN值为25～40。

3.权利要求1所述一种高氮无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：

a.采用EAF(电炉)+AOD(氩氧脱碳炉)+LF(钢包精炼炉)方式冶炼，连铸或者模铸扁锭，连铸控制过热度小于50℃；

b.将连铸坯或模铸扁锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度控制在800～950℃，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品。

4.根据权利要求3所述一种高氮无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：步骤a所述模铸扁锭可进行电渣处理获得电渣扁锭，然后将电渣扁锭放入步进式加热炉中加热，在轧机上热轧成所需规格的板材，终轧温度控制在800～950℃，热轧板材然后进行酸洗后得到高氮奥氏体不锈钢热轧板成品。

5.根据权利要求3所述一种高氮无磁奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：所述终轧温度控制在820～940℃。